CN108179364A - 一种具有高碰撞吸收能的合金结构钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有高碰撞吸收能的合金结构钢及其制备方法，属于金属材料及其制备技术领域。化学成分体系如下：碳：0.06％～0.10％，锰：13.0％～15.0％，铬：15.0％～17.0％，氮：0.35％～0.40％，磷：≤0.015％，硫：≤0.015％，其余为铁。制备工艺包括：冶炼、铸造和控制轧制和控制冷却。优点在于，具有高强韧性、高塑性、高动态硬化率、组织稳定、高低温韧性、耐腐蚀的高碰撞吸收能。

Description

一种具有高碰撞吸收能的合金结构钢及其制备方法
技术领域
本发明属于碰撞材料技术领域，尤其涉及一种具有高碰撞吸收能的合金结构钢及其制备方法。具有高碰撞吸收能的合金结构钢，高强韧性、高塑性、高动态硬化率、组织稳定、高低温韧性、耐腐蚀等。极其适用于碰撞冲击的服役工况，其动态力学性能是传统材料的1.7倍以上。
背景技术
这个世界上，碰撞无时无刻不在发生，有运动就会发生碰撞。碰撞过程是一个能量转换的过程，从动能转化为应变能、光、电、声、热等其他形式的能量。碰撞本身自有利弊，对于有害的碰撞必须加以防范。因此，如何减轻碰撞所带来的严重后果，已成为现代工程技术中一个重要的力学问题，这里包含了两个重要环节，其一是碰撞结构设计，其二是高效碰撞吸能材料的研制。
结构耐撞性研究就是研究碰撞和能量吸收的一门新兴学科。所谓耐撞性是指在可能发生的碰撞事件中，结构或构件对乘客或装载物实施保护的能力。碰撞发生后，结构及其乘客或装载物的损伤越小，则结构的耐撞性就越高。在实际工程应用中，由于安全防护的需要，航天飞行器、海洋平台、高速公路护栏、核电站及各种海陆空交通工具飞机、火车、汽车、轮船等，都必须满足一定的耐撞性要求。最近我国开展的“神州”号载人飞船返回着陆时人体生物力学和伤害防护方面的研究，其中的重要内容就是改善宇航员躺椅的冲击吸能性能。汽车被动安全则更是世界各国高度关注的问题，各国先后制定和实施了汽车耐撞性能相关的法律和技术法规。
因此，改善这些缓冲结构的材料构成以及功能设计，提高其吸收冲击能量的能力，也就达到了提高结构或构件对乘客或装载物实施保护的能力，即使出现事故也能将所受伤害减小到最低。总体来说，提高材料的碰撞吸收能，对于提高碰撞安全性具有重要的理论意义，对于保证生命财产安全也具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高碰撞吸收能的合金结构钢及其制备方法，解决了现有防护材料在冲击载荷下出现碰撞吸能效果严重不足的问题。本发明通过合金体系的设计及其制备方法，得到一种具有高强韧性、高塑性、高动态硬化率、组织稳定、高低温韧性、耐腐蚀的高碰撞吸收能的合金结构钢。材料的综合力学性能为：材料强度Rm为1050MPa～1150MPa，延伸率A％≥30％，低温冲击韧性AKV(-40℃)≥30J，室温冲击韧性AKV≥80J，动态屈服强度可达2400MPa(104s-1应变速率)，动态强塑积可达28.8GPa·％。此材料应用于航天飞行器、海洋平台、高速公路护栏、核电站及各种海陆空交通工具等应用领域。可同时满足结构强度、刚度设计和动态碰撞吸能作用，是一种典型的工程通用性材料。
本发明的合金结构钢，化学成按质量百分比为：C 0.06％～0.10％、Mn13.0％～15.0％、Cr 15.0％～17.0％、N 0.35％～0.40％、P≤0.015％、S≤0.015％、余量为Fe。
本发明的制备工艺包括：冶炼、铸造和控制轧制和控制冷却。通过整体成分设计使得新型具有高碰撞吸收能合金钢的高温全奥氏体温度区间为800℃～1280℃。其中有害相高温δ铁素体区为1280℃～1420℃；通过C含量的设计使得合金钢中M23C6类析出物的析出温度降低到860℃，σ相析出温度低于700℃，使得热轧工艺窗口扩大到860℃～1200℃，确保本材料在860℃～960℃下轧制避免M23C6和σ析出相的大量析出，使得材料可以在该温度区间储存足够的形变量，以保证材料的整体强度。
热轧控制轧制和控制冷却的具体工艺为：高温轧制的温度区间为1170℃～1000℃、轧制压下量为总压下量的55％，道次压下量占总压下量的15％；待钢板温度降至960℃时，进行中温均匀轧制，轧制温度区间为960℃～860℃，轧制压下量为总压下量的45％，道次压下量为总压下量的10％；冷却方式通过水冷至室温，避免有害相的析出。通过高温大变形轧制破碎粗大的原始组织，获得均匀的再结晶组织、于中温均匀轧制进一步细化晶粒，并在终轧阶段储存足够的形变量。
不同应变速率加载条件下，实施例合金钢动态屈服强度有很大程度提高，呈现出应变速率敏感性。当应变速率达到2.7×103s-1时，动态屈服强度为2380MPa以上，比准静态(应变速率3.3×10-3s-1)时提高了2倍以上，表现出明显的正应变速率强化效应，具有很好的动态吸能能力。
本发明的碰撞吸能材料的重要的点有：
1、本身具备高静态强度，可作为结构设计使用，整体结构强度及刚度满足应用设计；
2、在经受高速冲击碰撞时产生超高的抗形变强度，从而通过材料自身的塑性形变产生的塑性耗散能吸收冲击碰撞中所带来的巨大能量。本发明属于金属材料及其制备技术领域。
本发明的优点在于，与传统的防护合金结构钢相比：
1、产品内部组织为全奥氏体稳态组织；
2、其硬度均匀，达到HRC 36～39；
3、材料强度Rm为1050MPa～1150MPa，延伸率A％≥30％；
4、低温冲击韧性AKV(-40℃)≥30J，室温冲击韧性AKV≥80J；
5、具有高碰撞吸收能的合金结构钢具有很好的动态吸能能力，动态屈服强度可达2380MPa，比准静态(应变速率3.3×10-3s-1)时提高了2倍以上。
6、当应变速率提高到2.7×103s-1时，材料的动态强塑积保持在一个很好的水平，可达28.6GPa·％。
附图说明
图1为实施例铸造显微组织图。
图2为实施例夹杂物评级图。
图3为实施例高温大形变量(ε＝60％)热轧后显微组织图。
图4为实施例中温均匀热轧后显微组织(ε＝40％)图。
图5为实施例合金钢的动态力学性能曲线(不同应变速率)图。
具体实施方式
以下为3个化学组份在相同生产工艺条件下生产的合金钢实例及其性能测试结果。化学成分及力学性能见表1，实际生产工艺参数见表2。
表1实施例化学成分及性能(质量分数％，余量为Fe)
表2实际生产工艺参数
生产操作步骤中，真空熔炼温度为1430～1480℃，通过自行设计的导气管向钢液中持续充入氮气，形成氮气保护气氛，在此成分体系下，N原子的常压饱和溶解度为0.35％～0.43％。通过铸造及控轧控冷技术获得均匀、稳定的全奥氏体稳态组织。本发明具有高碰撞吸收能的合金结构钢的硬度达到HRC 36～39，材料强度Rm为1050MPa～1150MPa，延伸率A％≥30％；低温冲击韧性AKV(-40℃)≥30J，室温冲击韧性AKV≥80J；在动态应变速率达到2.7×103s-1时，动态屈服强度可达2380MPa，比准静态(应变速率3.3×10-3s-1)时提高了2倍以上，表现出明显的正应变速率强化效应，具有很好的动态吸能能力。同时，材料的动态强塑积保持在一个很好的水平，可达28.6GPa·％，是一种工程应用综合性材料。

Claims (2)

1.一种具有高碰撞吸收能的合金结构钢，其特征在于，化学成分重量百分数为：碳：0.06％～0.10％，锰：13.0％～15.0％，铬：15.0％～17.0％，氮：0.35％～0.40％，磷：≤0.015％，硫：≤0.015％，余量为铁；
通过整体成分设计使得该合金结构钢的高温全奥氏体温度区间为800℃～1280℃；其中有害相高温δ铁素体区为1280℃～1420℃；通过C含量的设计使得合金钢中M23C6类析出物的析出温度降低到860℃，σ相析出温度低于700℃，使得热轧工艺窗口扩大到860℃～1200℃，确保该合金结构钢在860℃～960℃下轧制避免M23C6和σ析出相的大量析出，热轧控制轧制和控制冷却后所得到的材料性能如下：
动态力学性能是传统材料的1.7倍以上；硬度达到HRC 36～39，强度Rm为1050MPa～1150MPa，延伸率A％≥30％；低温冲击韧性AKV(-40℃)≥30J，室温冲击韧性AKV≥80J；在动态应变速率达到2.7×103s-1时，动态屈服强度可达2380MPa，比准静态(应变速率3.3×10-3s-1)时提高了2倍以上，动态强塑积达28.6GPa·％。
2.一种权利要求1所述的合金结构钢的制备方法，其特征在于，工艺包括：冶炼、铸造和热轧控制轧制和控制冷却；热轧控制轧制和控制冷却中控制的技术参数为：
高温轧制的温度区间为1170℃～1000℃、轧制压下量为总压下量的55％，道次压下量占总压下量的15％；待钢板温度降至960℃时，进行中温均匀轧制，轧制温度区间为960℃～860℃，轧制压下量为总压下量的45％，道次压下量为总压下量的10％；
冷却方式通过水冷至室温，避免有害相的析出。
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